今回のテーマは、
「半導体の工程では、どんなガスを何のために使い、どう安全に届けるのか」
答え：ガスには、ほかと反応せずに工程を守る不活性ガスと、膜をつくったり削ったりするために反応させる反応性ガスがあります。燃えやすい、毒性があるガスは、専用の設備で漏れを防ぎながら届けます。
この記事でわかること
- ① なぜ気体の材料を使うのか
- ② 反応しないガスの役目
- ③ 反応させるガスの役目
- ④ 毒性・可燃性と、ガスキャビネット
- ⑤ 装置に届けるしくみ
※各節の「くわしく見る」は、計算で確かめたい人向けです。
① なぜ気体の材料を使うのか
大事なポイント：気体は、細かい所まで行き渡り、量や成分を細かく調整できるので、薄い膜をつくったり、表面を削ったりするのに向いています。
半導体の工程では、気体の材料をガスと呼びます。ガスを使う理由は、大きく2つあります。1つめは、気体は容器の中全体に広がるので、ウェハの表面の細かい凸凹にも届きやすい点です。2つめは、流す量を細かく調整できる点です。薄い膜をつくるときは、材料の量が少しずれるだけで、膜の厚さが変わってしまうからです。
また、ガスは、工程の外側でも使われます。たとえば、装置の中を空気から守るために満たしたり、反応した後の残りを押し流したりします。このため、工場では、ガスを大量に使います。参考にした資料でも、工場は、装置内部の空気を置き換えるために大量の液体窒素を必要とする、と書かれています。
なお、ガスは、役目で見ると「反応しないガス」と「反応させるガス」の2種類に分けられます。さらに、安全の面から、毒性や燃えやすさで分ける見方もあります。この講では、この3つの見方を順に学びます。ガスは、役目（反応するか・しないか）と、危険性（毒性・可燃性）の2つの見方で整理できます。
確認クイズ：ガスが、薄い膜をつくる工程に向いている理由を、1つあげてください。
答え：細かい凸凹にも届きやすい、または流す量を細かく調整できるからです。
② 反応しないガス：窒素・アルゴン・ヘリウム
大事なポイント：反応しにくいガス（不活性ガス）は、ほかの材料と反応しないという性質を使って、工程を守り、助けます。
窒素は、最もたくさん使われる不活性ガスです。参考にした資料では、ウェハを運ぶ容器（FOUP）の中を窒素で満たして、銅が空気に触れてさびる（酸化する）のを防ぐ例が書かれています。また、装置の中の空気を窒素に置き換える用途にも使われます。
アルゴンは、第1講で学んだスパッタリングで、金属のターゲットに当てる気体の粒として使われます。参考資料には、アルゴンは希ガス（反応しにくい仲間）なので、ターゲットの材料と反応しないからだ、と説明されています。第2講の結晶の引き上げでも、装置の内部がアルゴンのような不活性ガスで満たされます。
ヘリウムも不活性ガスです。参考にした資料は、シリコンウェハ用の結晶を育てる工程などで、ヘリウムが使われると書いています。ただし、ヘリウムは地球上で再生できない資源で、世界の供給が限られた地域に偏ってきた経緯があります（第5講で、供給の話として扱います）。
では、なぜ「反応しない」ことが役に立つのでしょうか。理由は、工程の中で、材料以外のものが反応してしまうと、不良になるからです。反応しないガスは、「何も起こさない」ことで、膜やウェハを守る材料です。
確認クイズ：ウェハを入れる容器の中を窒素で満たすのは、何のためですか？
答え：銅が空気中の酸素と触れてさびる（酸化する）のを防ぐためです。
③ 反応させるガス：膜をつくる・不純物を入れる・削る
大事なポイント：反応性ガスは、ウェハの表面で化学反応を起こして、膜をつくったり、不純物を入れたり、削ったりします。
シラン（SiH₄）は、ケイ素と水素の化合物で、シリコンの膜（ポリシリコン）をつくるのに使われます。参考資料によれば、420℃を超えるとシリコンと水素に分かれる性質があります。分かれて出たシリコンが、ウェハの上に付いて膜になります。このように、気体から固体の膜をつくる方法を、化学気相成長（CVD）といいます（成膜の講座で学びます）。
六フッ化タングステンは、タングステンという金属の配線（栓）を、CVDでつくるときに使われる、と参考資料に書かれています。膜の元になる材料を、気体の化合物として、装置に流し込む例です。
アルシンとホスフィンは、ウェハにヒ素やリンを打ち込んで、電気の性質を変える（ドーピング）ために使われます。参考資料には、イオン注入に使うと書かれています。どちらも毒性が強いことで知られます。
このほか、膜を削るエッチングでは、フッ素などを含むガスをプラズマにして使います（具体名は、エッチングの講座で学びます）。反応性ガスは、膜の元になる・不純物を入れる・削る、のどれかの役目で、反応を起こすために使われます。
確認クイズ：シランが、ウェハの表面で膜をつくる仕組みを、簡単に説明してください。
答え：加熱されると、シリコンと水素に分かれ、シリコンがウェハ上に付いて膜になります。
④ 毒性・可燃性と、ガスキャビネット
大事なポイント：毒性、燃えやすさ、自然発火といった危険のあるガスは、換気された専用の囲い（ガスキャビネット）に入れて管理します。
ガスの危険性は、いくつかに分けて考えます。参考にした大学の安全資料では、次のように分けられています。可燃性は、空気中で燃えやすい性質です。自然発火性は、空気に触れるだけで火がつく性質で、発火する温度が約54℃（130°F）以下のものを指します。腐食性は、触れたものを傷める性質です。毒性は、吸い込むと害になる性質で、半数が死ぬ濃度（LC50）が200ppmを超え2,000ppm以下のものが「毒性」、200ppm以下のものが「高毒性」と説明されています。アルシンとホスフィンは、高毒性の例とされています。
ガスごとの具体的な値の例も見てみましょう。シランは、アメリカの公的機関（NIOSH）が、空気中の濃度を8時間の平均で5ppmとする推奨値を出しており、空気中で自然発火することがあるガスです。アルシンは、同じ機関が、15分間でも0.002mg/m³を超えないよう推奨するほど、危険性が高いガスです。（どちらも一例で、規則は国や職場で異なります。）
こうしたガスを、ボンベのまま作業場に置くと、漏れたときに広がってしまいます。そこで、ガスキャビネットに入れます。ガスキャビネットは、換気された囲いで、排気の流れが弱まると警報を出し、ガスの流れも止めます。流れが急に増えたら止める過流量防止、交換のときに残ったガスを押し出すパージ、検知器、スプリンクラーなどを備えるものもあります。危険なガスは、ボンベを囲いに入れて、「換気する・見張る・止める・洗い流す」の4つで管理します。
確認クイズ：「自然発火性」のガスとは、どんな性質のガスですか？
答え：空気に触れるだけで、火がつく性質のガスです。
くわしく見る：ppbで見る、アルシンの推奨値
参考資料では、アルシンは 1ppm ＝ 3.19 mg/m³ とされています。推奨値0.002mg/m³は、
0.002 ÷ 3.19 ＝ 0.00063 ppm ＝ 約0.6 ppb
になります（1ppm ＝ 1000ppbです）。つまり、空気10億個の分子のうち、1個にも満たないほどの微量です。シランの5ppmと比べると、桁が大きく違うことがわかります。
⑤ 装置に届けるしくみ：パージ・遮断・純度
大事なポイント：ガスは、ボンベから配管を通って装置に届きます。途中で、漏れの検知・遮断・パージ・純度の維持を行います。
ガスは、ボンベや大型タンクから、ガスキャビネットで圧力を下げ、配管を通って、バルブボックスで分けられ、工程装置（チャンバー）に届きます。圧力を下げるのは、ボンベの中が高い圧力で、そのままでは使えないからです。
途中にある検知器が漏れを見つけると、弁を閉じてガスを止め、警報を出します。装置が止まる間は、材料の供給も止まる点には注意が必要です。また、ボンベを交換するときは、配管の中に残ったガスを、窒素で押し出して（パージ）、空気と混ざる危険を避けます。
さらに、ガスには純度の決まりがあります。半導体用のガスの規格（SEMIの規格C3）では、主成分は最低何%以上、不純物は最大いくつまで、というように、モル分率（分子の数の割合）で定められているとされています。配管にも、汚れや水分が混ざらないように、清浄な材料やフィルターが使われます。純度の考え方は、第5講で扱います。ガスは、純度を守り、漏れを見張り、いざとなれば止める、の3つを組み合わせて届けます。
▶ 2級でくわしく：ガスの純度規格の読み方と、使い終わったガスを無害化する排ガス処理。
確認クイズ：ボンベを交換するとき、配管の残ったガスを窒素で押し出す操作を何といいますか？
答え：パージです。
くわしく見る：ボンベの中に、どれくらいのガスがあるのか
高圧のボンベの中の気体は、圧力が高いほど、少ない容積に多くの量が入ります。圧力が約150倍（約15MPa）の気体を、容積47Lのボンベに詰めると、大気圧（1倍）に戻したときの体積は、おおよそ
47 L × 150 ＝ 約7,050 L
です（理想気体として見なした目安で、実際の気体は少しずれます。ボンベの容積と圧力は一般的な値です）。小さなボンベでも大量の気体が入っているため、漏れたときの危険が大きくなります。
安全のひとこと
ガスは、種類ごとに危険の性質が違います。作業は、職場の決まりと、そのガスの安全データシート（SDS）に従い、教育を受けた人が行ってください。
この講のまとめ
不活性ガスは、反応しないことで工程を守り、反応性ガスは、膜をつくる・不純物を入れる・削るために使われます。
毒性・可燃性・自然発火性のあるガスは、ガスキャビネットで、換気・検知・遮断・パージにより管理します。
ガスは、純度を守り、漏れを見張りながら、ボンベから配管を通って装置に届けられます。
次の講では、液体の材料である薬液と超純水について、酸・アルカリ・溶剤の役目と、水の純度を学びます。
ことばのおさらい
- ガス：工程で使う気体の材料です。
- 不活性ガス：ほかの物質と反応しにくい気体です。窒素やアルゴンなどです。
- 反応性ガス：表面で化学反応を起こして、膜をつくったり削ったりするガスです。
- 自然発火性：空気に触れるだけで火がつく性質です。
- LC50：吸い込んだ動物の半数が死ぬ濃度で、毒性の強さの目安です。
- ガスキャビネット：ボンベを入れる、換気された安全のための囲いです。
- パージ：配管などの中に残ったガスを、別のガスで押し出すことです。
よくある誤解
Q. 不活性ガスは、安全だから特別な管理は要らないのですか？
いいえ。窒素やアルゴンは、毒性はありませんが、狭い所に大量にたまると、酸素が減ります。取り扱いは、職場の決まりに従ってください。
Q. ガスキャビネットは、ガスを使うための装置ですか？
いいえ。ボンベを入れて、漏れを見張って止めるための安全な囲いです。
参考にした公式情報
- Wikipedia「Semiconductor device fabrication」（窒素、液体窒素、シラン・六フッ化タングステン・アルシン・ホスフィンの用途）
- Wikipedia「Silane」（自然発火、420℃の分解、NIOSHの推奨値）
- NIOSH Pocket Guide「Silane」（推奨値5ppm（8時間平均）、自然発火性、IDLH記載なし）
- NIOSH Pocket Guide「Arsine」（推奨値、IDLH 3ppm、1ppm＝3.19mg/m³）
- RPI環境・安全部門「Gas Cabinets」（ガスキャビネットの機能、ガスの分類（LC50、自然発火の温度））
- SEMI C3 ガス規格の案内ページ（規格の概要（主成分は最低純度、不純物は最大値、モル分率））
- 米国化学物質安全調査委員会（CSB）「Hazards of Nitrogen Asphyxiation」（窒素は人が感じるにおいがなく、酸素が減った空気は専用の機器でしか分からない）
- Wikipedia「Sputtering」（アルゴンを使う理由）
- Wikipedia「Helium」（結晶育成での使用、供給の偏り）
エッチングのガス、ガスの2つの利点、窒素やアルゴンが大量にたまると酸素が減る注意、ボンベ47L・15MPaの値は、一般的な説明です（ガスの危険性の数値は、アメリカの機関や大学の基準にもとづく一例です。日本の基準は別に定められているため、実際の取り扱いでは、日本の法令・基準と職場の決まりに従います。アルゴンなどについても、窒素と同じ考え方の一般的な説明です）。NIOSHの値の単位換算は単純な算術です。図は、記事用に描いた簡易の図です。
